本發(fā)明屬于鈉離子電池，具體涉及一種由生物質(zhì)衍生的硬碳負(fù)極材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、鈉離子電池具有良好的低溫性能以及安全性能，最有希望成為替代鋰離子電池，并且商業(yè)化應(yīng)用。目前，鋰資源的相對(duì)匱乏以及價(jià)格增長，開發(fā)新一代的儲(chǔ)能電池成為重中之中。鈉相對(duì)于鋰在地球的含量較高，分布較為廣泛，且原料獲取較為便捷。同時(shí)鈉與鋰具有相似的物理化學(xué)性質(zhì)，因此鈉離子電池最有希望被用于大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的二次電池技術(shù)。鈉離子由于比離子更大的離子半徑，無法在石墨中形成穩(wěn)定的熱力學(xué)結(jié)構(gòu)，因此鋰離子負(fù)極材料——石墨，無法被用于鈉離子電池，則需要一種大層間距的負(fù)極材料作為鈉離子電池負(fù)極。硬碳作為一種相對(duì)難以石墨化的碳材料具有超過0.37nm的層間距，成為了鈉離子電池負(fù)極的理想材料。目前報(bào)道生物質(zhì)硬碳材料來源主要有椰殼、淀粉、葡萄糖、秸稈等，這些生物質(zhì)作為碳源所制備的硬碳均表現(xiàn)出較低的庫倫效率、較差的循環(huán)穩(wěn)定性以及倍率性能。其中一些生物質(zhì)原料價(jià)格較高、生長周期較長不適合用來制備硬碳材料。同時(shí)一些生物質(zhì)材料加工制備過程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄物對(duì)環(huán)境造成較大的污染。本文利用魔芋粉作為碳源，通過簡單的制備工藝制備其硬碳材料，極大的減少了制備時(shí)間以及成本。另外，我國種植面積超1000萬畝，產(chǎn)量占全球的總產(chǎn)量的70％以上，因此用魔芋粉制備碳材料具有價(jià)格優(yōu)勢、產(chǎn)量優(yōu)勢。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種魔芋粉衍生的硬碳用作鈉離子電池負(fù)極材料，制備方法快速簡捷，電化學(xué)性能優(yōu)異，具有較為可觀的比容量和循環(huán)性能。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種由生物質(zhì)衍生硬碳負(fù)極材料的制備方法，包括以下步驟：

4、s1、將魔芋粉預(yù)碳化，生成預(yù)碳化材料；

5、s2、預(yù)碳化材料經(jīng)冷卻后，進(jìn)行球磨粉碎、酸浸洗、水洗和干燥處理，得到硬碳材料前體；

6、s3、將硬碳材料前體進(jìn)行高溫煅燒，得到所述的硬碳負(fù)極材料。

7、進(jìn)一步地，步驟s1中，預(yù)碳化溫度為200℃-800℃，時(shí)間為60min-300min。

8、進(jìn)一步地，步驟s2中，球磨珠與預(yù)碳化材料的質(zhì)量比為60：1-10：1，球磨時(shí)間為2h-24h，球磨后過300目的篩網(wǎng)。

9、進(jìn)一步地，步驟s2中，酸浸洗溫度為25℃-100℃，時(shí)間為1h-24h；所用的酸為鹽酸、硝酸、醋酸、磷酸中的至少一種，濃度為0.1-12mol/l。

10、進(jìn)一步地，步驟s3中，加熱速率為1-10℃/min，煅燒溫度為800-1500℃，時(shí)間為30min-600min。

11、如上所述的方法制得的由生物質(zhì)衍生的硬碳負(fù)極材料。

12、如上所述的方法制得的由生物質(zhì)衍生的硬碳負(fù)極材料在鈉離子電池中的應(yīng)用。

13、本發(fā)明的有益效果在于：制備過程操作簡單，無需軟硬模板的輔助以及表面活性劑、造孔劑的輔助，制得的生物質(zhì)衍生硬碳組裝的半電池具有較好的電化學(xué)性能，在30ma/g的電流密度下具有301.5mah/g的可逆容量。此外，本發(fā)明以人工大面積種植的魔芋粉為原材料，可再生性高、獲取容易、成本低廉，實(shí)現(xiàn)了人工種植的生物體轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)物。

技術(shù)特征：

1.一種由生物質(zhì)衍生硬碳負(fù)極材料的制備方法，其特征在于：包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：步驟s1中，預(yù)碳化溫度為200℃-800℃，時(shí)間為60min-300min。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：步驟s2中，球磨珠與預(yù)碳化材料的質(zhì)量比為60：1-10：1，球磨時(shí)間為2h-24h，球磨后過300目的篩網(wǎng)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：步驟s2中，酸浸洗溫度為25℃-100℃，時(shí)間為1h-24h；所用的酸為鹽酸、硝酸、醋酸、磷酸中的至少一種，濃度為0.1-12mol/l。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：步驟s3中，加熱速率為1-10℃/min，煅燒溫度為800-1500℃，時(shí)間為30min-600min。

6.一種如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的方法制得的由生物質(zhì)衍生的硬碳負(fù)極材料。

7.一種如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的方法制得的由生物質(zhì)衍生的硬碳負(fù)極材料在鈉離子電池中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種由生物質(zhì)衍生的硬碳負(fù)極材料及其制備方法和應(yīng)用，屬于鈉離子電池技術(shù)領(lǐng)域。首先將魔芋粉進(jìn)行預(yù)碳化處理、隨后進(jìn)去球磨、酸處理、干燥、最后高溫煅燒下制備成硬碳材料。本發(fā)明制備過程操作簡單，無需軟硬模板的輔助以及表面活性劑、造孔劑的輔助，制得的生物質(zhì)衍生硬碳組裝的半電池具有較好的電化學(xué)性能，在30mA/g的電流密度下具有301.5mAh/g的可逆容量。此外，本發(fā)明以人工大面積種植的魔芋粉為原材料，可再生性高、獲取容易、成本低廉，實(shí)現(xiàn)了人工種植的生物體轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)物。

技術(shù)研發(fā)人員：嚴(yán)佐毅,宋佳寶,鄭成輝,石成春,陳遠(yuǎn)鋒,張冬冬
受保護(hù)的技術(shù)使用者：福州大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15